CN112442650B - 发动机氮化齿轮表面硬度、粗糙度及白层深度的精确控制方法 - Google Patents

发动机氮化齿轮表面硬度、粗糙度及白层深度的精确控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种发动机氮化齿轮表面硬度、粗糙度及白层深度的精确控制方法，包括如下步骤：(1)对氮化齿轮进行稳定处理；(2)磨齿；(3)进行磷化处理；(4)在KN为0.8～1.0的条件下进行第一氮化处理，然后在KN为0.2～0.4的条件下进行第二氮化处理。本发明的方法对于表面硬度、粗糙度和白层深度及氮化深度均能精确控制，该工艺简单，且处理后的工件质量稳定，适于大规模的批量生产应用。

Description

发动机氮化齿轮表面硬度、粗糙度及白层深度的精确控制方法
技术领域
本发明涉及一种30Cr3MoA钢发动机氮化齿轮浅层氮化表面硬度、粗糙度及白层深度的精确控制方法。
背景技术
30Cr3MoA钢是航空产品中常用的氮化齿轮钢，经氮化后表面可获得高硬度硬化层，而且具有优良的强韧性配合。
该材料属于常用氮化材料，依据国外及国内相关标准，氮化前需进行表面活化才可以保证零件表面氮化层深度的均匀性，氮化后表面硬度可达HV800以上，但随着表面活化，零件氮化表面粗糙度会增加。且航空产品中涉及一种发动机齿轮零件，该零件为氮化零件，与之配合的为渗碳零件，氮化零件硬度普遍高于渗碳零件，两者存在硬度差，且零件氮化表面存在高硬度氮化白层。现有一种航空发动机的氮化齿轮设计要求氮化深度0.1～0.2mm，表面硬度≥800HV(64HRC)，白层深度依据标准≤0.015mm，与之配合的渗碳齿轮表面硬度要求为58-63HRC，当减小氮化齿轮的粗糙度、控制表面硬度、降低白层深度，有助于延长氮化齿轮与渗碳齿轮组合的齿轮副使用时间。但是当降低白层深度时，难以让表面硬度和氮化深度达到零件本身技术图样要求。且处理过程中，往往存在质量难以稳定控制，可重复性差等问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种提供工艺简单、适用于大规模生产应用且处理后工件质量稳定的发动机氮化齿轮表面硬度、粗糙度、白层深度精确控制方案，在满足标准要求的前提下以改善氮化齿轮与渗碳齿轮的啮合条件。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
发动机氮化齿轮表面硬度、粗糙度及白层深度的精确控制方法，包括如下步骤：
(1)对氮化齿轮进行稳定处理；
(2)磨齿；
(3)进行磷化处理；
(4)在KN为0.8～1.0的条件下进行第一氮化处理，然后在KN为0.2～0.4的条件下进行第二氮化处理。
上述的发动机氮化齿轮表面硬度、粗糙度及白层深度的精确控制方法，优选地，步骤(4)中，所述第一氮化处理的温度为480℃～500℃。
上述的发动机氮化齿轮表面硬度、粗糙度及白层深度的精确控制方法，优选地，步骤(4)中，所述第一氮化处理的时间为7～9h。
上述的发动机氮化齿轮表面硬度、粗糙度及白层深度的精确控制方法，优选地，步骤(4)中，所述第二氮化处理的温度为480℃～500℃。
上述的发动机氮化齿轮表面硬度、粗糙度及白层深度的精确控制方法，优选地，步骤(4)中，所述第二氮化处理的时间为24～27h。
上述的发动机氮化齿轮表面硬度、粗糙度及白层深度的精确控制方法，优选地，步骤(3)中，所述磷化采用锌基磷化工艺。
上述的发动机氮化齿轮表面硬度、粗糙度及白层深度的精确控制方法，优选地，步骤(3)中，所述磷化的温度为90～95℃；磷化的时间为3～5min。
上述的发动机氮化齿轮表面硬度、粗糙度及白层深度的精确控制方法，优选地，步骤(2)中，磨齿以保证粗糙度Ra≤0.4。
上述的发动机氮化齿轮表面硬度、粗糙度及白层深度的精确控制方法，优选地，步骤(1)中，所述稳定处理的温度为540～560℃；所述稳定处理的时间为2～4h。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明通过对30Cr3MoA钢氮化活化表面改变粗糙度、及对影响氮化后硬度、白层深度等因素的分析，经大量研究，提出了相应的方案，在满足现有标准要求的前提下解决现有技术中难以同时实现控制该材料零件的表面硬度和氮化深度、降低白层深度等要素的问题，有效改善了氮化齿轮与渗碳齿轮的啮合条件，本发明的方法工艺简单，适于大规模的批量生产应用。
2、经大量研究，本发明通过控制氮化前的磷化条件，实现了表面粗糙度的改善，通过对氮化过程中氮势的控制，合理分配各氮势的波动性和其他氮化条件，解决了表面硬度、白层深度偏厚以及氮化层厚度的问题，同时研究氮化时间与氮势的波动性，得出一套保证氮化质量稳定、可重复性好的条件，为同材料类似结构零件的氮化处理及氮化工艺稳定性控制提供了技术参考。
3、通过优化的工艺条件，本发明的方法处理后的发动机齿轮氮化深度在满足0.1～0.2mm的前提下，能将表面硬度极窄的较低硬度范围HV800～860，并能控制氮化白层深度≤0.006mm，氮化后表面粗糙度Ra≤0.8，渗碳齿轮表面硬度一般在58～63HRC，本发明控制氮化齿轮表面硬度，能有效减小发动机氮化齿轮与渗碳齿轮之间的硬度差，同时由于氮化白层硬度高达1000HV，较厚的白层会造成齿轮表面硬度不均匀，本发明通过控制氮化白层及表面硬度有效地减小了因啮合过程中应力集中造成的磨损。
具体实施方式
针对现有的氮化齿轮的制备方法存在的技术问题，本发明着重针对零件表面改性，来改善啮合条件。通过减小氮化齿轮的粗糙度、控制表面硬度、降低白层深度，有助于延长氮化齿轮与渗碳齿轮组合的齿轮副使用时间，能有效减小发动机氮化齿轮与渗碳齿轮之间的硬度差，避免较厚的白层会造成齿轮表面硬度不均匀(造成零件在啮合过程中的应力集中)以及粗糙度高容易造成磨损高，且通过控制氮化白层及表面硬度有效地减小了因啮合过程中应力集中造成的磨损。
然而，白层深度与零件表面硬度有密切关系，白层深度越高，零件表面硬度相对较高，在为了获得厚度较低的白层时，表面硬度难以达到800HV以上，且氮化深度也往往难以达到，而氮化层下面的心部组织硬度很低，容易刮擦磨损。而当氮化深度足够时，若控制硬度在800HV以上，则白层厚度往往容易过厚。且处理过程中，往往存在氮化质量难以稳定控制，可重复性差等问题。
本发明通过采用如下的技术方案，解决了上述技术问题：
发动机氮化齿轮表面硬度、粗糙度及白层深度的精确控制方法，包括如下步骤：
(1)对氮化齿轮进行稳定处理；
(2)磨齿；
(3)进行磷化处理；
(4)在KN为0.8～1.0的条件下进行第一氮化处理，然后在KN为0.2～0.4的条件下进行第二氮化处理。
氮化过程中，温度越高，在零件氮化过程中产品的热应力变形越大，同时两段氮化过程中若温度发生改变将带来变形，对于齿轮零件属于高精密零件，某型号发动机86齿齿轮轴氮化后齿轮公法线公差在0.028，要求非常高，温度渗氮过高，零件因氮原子的吸入及热应力导致的变形不满足要求；当温度过低时，则容易造成渗氮速度降低，进而难以获得所需的组织结构。作为优选，步骤(4)中，所述第一氮化处理的温度为480℃～500℃。
作为优选，步骤(4)中，所述第二氮化处理的温度为480℃～500℃。
作为优选，所述第一氮化处理的时间为7～9h。
作为优选，所述第二氮化处理的时间为24～27h。
作为优选，步骤(3)中，所述磷化采用锌基磷化工艺。
作为优选，步骤(3)中，所述磷化温度为90～95℃；磷化时间为3～5min。
作为优选，步骤(2)中，磨齿以保证粗糙度Ra≤0.4。
作为优选，步骤(1)中，所述稳定处理的温度为540～560℃；所述稳定处理的时间为2～4h。
以下将结合说明书具体实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1：
某型号发动机86齿齿轮轴氮化，要求氮化深度0.1～0.2mm，氮化表面硬度HV≥800，氮化后白层深度依据相关标准≤0.015mm，本实施例采用改进措施，通过本实施例的方案，控制氮化表面硬度HV800～860(HRC64～66)，氮化白层深度≤0.006mm，表面粗糙度Ra≤0.8。
为了获得上述结果，本实施例提供一种下述的发动机氮化齿轮表面硬度、粗糙度及白层深度的精确控制方法，包括如下步骤：
(1)零件氮化滚齿后进行稳定处理，温度550±10℃，时间为2～4h；
(2)零件稳定处理后进行磨齿，磨齿粗糙度保证Ra≤0.4；
(3)零件磨齿后氮化前表面活化采用锌基磷化工艺，磷化弱腐蚀时间温度90～95℃，磷化时间为3～5min；
(4)零件置于可控气氛氮化炉内，零件平稳装炉，间距≥15mm，保证气氛流通充分；
(5)零件进行氮化：氮化温度为490±5℃，采用两段氮化，第一阶段：氮势KN＝0.8～1.0，保温7～9h，第二阶段KN＝0.2～0.4，保温24～27h，氮气保护气氛下冷至150℃以下出炉；
(6)在上述工艺条件范围内，经大量实验发现氮化质量很稳定，氮化后检测其表面粗糙度Ra≤0.8、金相按照HB5022进行、白层深度≤0.006mm、深度0.1～0.2mm、表面硬度800～860HV。
实施例2
采用与实施例1相同的原料，本实施例的处理方法与实施例1的区别仅在于，磷化时间为4min，氮化温度为490℃，第一段设定氮化氮势为0.85，氮化时间为8h，第二段设定氮化氮势为0.25，氮化时间为24h。
氮化后检测得出：其金相组织2～3级，表面粗糙度Ra0.529～0.596、白层深度0.002～0.003mm、深度0.16mm、表面硬度835～855HV。
对比例1
采用与实施例1相同的原料，本对比例的处理方法与实施例1的区别仅在于，氮化条件不同：氮化温度为490±5℃，采用两段氮化，第一阶段：设定氮势KN＝3.2，保温2.5h，第二阶段设定氮势KN＝0.25，保温24h。
氮化后检测得出：其金相组织2～3级，表面粗糙度Ra0.658、白层深度0.009mm、深度0.13mm、表面硬度HV835～892HV。
对比例2
采用与实施例1相同的原料，本对比例的处理方法与实施例1的区别仅在于：磷化时间不同，本对比例的磷化时间为7min。
氮化后检测得出：其金相组织2～3级，表面粗糙度Ra0.825、白层深度0.004～0.005mm、深度0.16mm、表面硬度HV835～856HV。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (4)

1.发动机氮化齿轮表面硬度、粗糙度及白层深度的精确控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）对氮化齿轮进行稳定处理；
（2）磨齿；
（3）进行磷化处理；所述磷化的温度为90～95℃；磷化的时间为3～5min；
（4）在KN为0.8～1.0的条件下进行第一氮化处理，然后在KN为0.2～0.4的条件下进行第二氮化处理；所述第一氮化处理的温度为480℃～500℃；
所述第一氮化处理的时间为7～9h；步骤（4）中，所述第二氮化处理的温度为480℃～500℃；步骤（4）中，所述第二氮化处理的时间为24～27h。
2.如权利要求1所述的发动机氮化齿轮表面硬度、粗糙度及白层深度的精确控制方法，其特征在于，步骤（3）中，所述磷化采用锌基磷化工艺。
3.如权利要求1所述的发动机氮化齿轮表面硬度、粗糙度及白层深度的精确控制方法，其特征在于，步骤（2）中，磨齿以保证粗糙度Ra≤0.4。
4.如权利要求1所述的发动机氮化齿轮表面硬度、粗糙度及白层深度的精确控制方法，其特征在于，步骤（1）中，所述稳定处理的温度为540～560℃；所述稳定处理的时间为2～4h。
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